数控车床自动回转刀架的设计

《数控车床自动回转刀架的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控车床自动回转刀架的设计（38页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、毕业设计(论文)数控车床回转刀架的设计THE DESIGN OF CNC LATHE ROTARY CUTTER学生姓名学院名称专业名称指导教师2011年05月27日 徐州工程学院毕业设计(论文)摘要传统的普通车床换刀的速度慢、精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要。因此，本文对数控车床回转刀架的机电系统的相关内容进行研究，探索数控车床刀架的组成和工作原理，对普通机床的换刀装置进行改进，使一台四工位的立式自动回转刀架数控化，使该装置具有自动松开、转位、精密定位等功能。本文主要完成数控车床回转刀架的机械部分和电气部分的设计。机械部分为其组成的各个机械部件进行计算与选用，电气部分为编制刀架

2、自动转位控制软件。设计的数控換刀装置功能更强，换刀装置通过刀具快速自动定位，可以提高数控车床的效率，缩短加工时间；同时其可靠性更稳定，结抅简单。关键词 自动回转刀架；换刀装置；机电系统；电气控制AbstractConventional lathe tool change is slow, the accuracy is not high, low productivity, can not meet the needs of modern production. Therefore, this rotary tool holder for CNC lathe electrical and me

3、chanical systems related content study, CNC lathe turret to explore the composition and working principle of the general improvement of the machine tool change device, so that the device has an automatic release, transfer, precision positioning and other functions.In this paper, rotating turret lath

4、e to complete the mechanical design of parts and electrical parts. Mechanical part is composed of various mechanical calculation and selection of parts, electrical parts for the preparation of the control software, automatic indexing turret. Design of more powerful CNC tool changer, tool changer qui

5、ckly through the automatic positioning tool can improve the efficiency of CNC lathes and shorten the processing time; while its reliability is more stable, Results Ju simple.Keywords Automatic rotary tool holder Tool changer Electro-Mechanical Systems Electrical controlI徐州工程学院毕业设计(论文)目 录摘要IAbstractI

6、I1 绪论11.1 数控车床的背景意义11.2 数控车床自动回转刀架的概述11.3 研究实际社会意义及应用效果22 自动回转刀架的工作原理33 总体结构设计63.1 减速机构的设计63.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计63.3 刀架抬起机构的设计64 主要传动部件的设计计算84.1 蜗杆副的设计计算84.1.1 蜗杆的选型84.1.2 蜗杆的材料84.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计84.1.4 蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸104.2 蜗杆轴的设计114.2.1 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力114.2.2 按扭转强度初步估算轴的最小直径114.2.3 确定各轴段的直径和长度124.2.4

7、 蜗杆轴的校核124.2.5 键的选取与校核164.3 蜗轮轴的设计164.3.1 蜗轮轴材料的选择，确定需用应力164.3.2 按扭转强度，初步估计轴的最小直径164.3.3 确定各轴段的直径和长度174.4 中心轴的设计174.4.1 中心轴的材料选择,确定许用应力174.4.2 确定各轴段的直径和长度174.4.3 轴的校核184.5 齿盘的设计184.5.1 齿盘的材料选择和精度等级184.5.2 确定齿盘参数184.6 轴承的选用204.6.1 轴承的类型204.6.2 轴承的游隙及轴上零件的调配204.6.3 滚动轴承的配合214.6.4 滚动轴承的润滑214.6.5 滚动轴承的密

8、封装置215 电气控制部分设计225.1 硬件电路设计225.1.1 收信电路235.1.2 发信号电路245.2控制软件的设计24结论27致谢28参考文献29附录30附录130附录230附录331附录431附录531附录632I徐州工程学院毕业设计(论文)1 绪论1.1 数控车床的背景意义经济型数控是我国80年代科技发展的产物。这种数控系统由于功能适宜.价格便宜. 用它来改造车床，投资少、见效快、成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术之一。十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善. 并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定

9、，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床，特别是80年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题。通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高了生产效率，创造更大的经济效益。数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。数控车床的出现对提高生产率改将产品质量以及改善劳动条件和提高效率上发挥了重要的作用。在提高效率上主要表现在两个方面：1）通过刀具的快速

10、自动定位，提高了空程速度和划线工艺的时间。2）批量加工一致性好，可以减少工件检验和时间。特别是经济型老车床对刀等还需要手动完成，以及在加工一个零件过程中，更换刀具，装卸零件，测量和搬运零件用于大部分时间占辅助时间长的刀具交换和刀具尺寸调整。加工时间相对较短，为缩短加工辅助时间，充分发挥数控机床的功能，进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。在这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置，在多工序数控机床出现之后.又逐步发展和完善了各类回转刀具的自动更换装置，扩大了换刀数量，以便有可能实现更复杂的换刀操作，在自动换刀数控机床上，自动换刀装置应满足换刀时间短

11、，刀具重复定位精度高，足够的刀具储存量，换刀安全可靠等要求。1.2 数控车床自动回转刀架的概述数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。数控车床的出现对提高生产率改善产品质量以及改善劳动条件等发挥了重要的作用。传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，釆用“工序集中”的原则，釆用自动回转刀架。数控车床上使用

12、的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。对于自动回转刀架，根据装刀数量的不同，自动回转刀架分有四工位、六工位和八工位等形式。根据安装的不同方式，自动回转刀架可分为立式和卧式。而根据机械定位方式不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。其中端齿盘定位型换刀时要将刀架抬起，换刀速度较慢且密封性差，但其结构简单。三齿盘定位叫免抬型，其特点时换刀时刀架不拾起，因此换刀速度快且密封性好，但其结构复杂。自动回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力，为了保证转位之后具有髙的重复定位精

13、度，自动回转刀架还需要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。自动回转刀架的自动换刀是由控制系统和驱动电路来实现的。1.3 研究实际社会意义及应用效果传统的车床的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，数控车床上使用的自动回转刀架是一种简单的换刀装置。自动回转刀架是在一定的空间范围内能执行自动松开、转位以及精密定位等一系列动作的一种机构。使用这种新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加

14、工误差，充分发挥数控机床的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。并针对生产过程中出现的一些常规问题进行了探讨，归纳总结检查修理方法。2 自动回转刀架的工作原理自动回转刀架的换刀流程如图2.1所示。图2.1 自动回转刀架的换刀流程图2.2表示自动回转刀架在换刀过程中有关的销的位置。其中上部的圆柱销2和下部的反靠销6起着重要作用。 当刀架处于锁紧状态时,两销的情况如图a所示，此时反靠销6落在反靠圆盘7的十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀的端面齿处于啮合状态（上下端面齿在图a中未画出）。需要换刀时，控制系统发出刀架的转位信号，三相异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与螺杆配合的上

15、刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆联接），当转过约150度时，上盖圆盘1直槽的另一端转到圆柱销2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上盖圆盘1就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端面齿已完全脱开），如图b所示。上盖圆盘1、圆柱销2以及上刀体4在正转的过程中，反靠销6能够从反靠圆盘7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体4寻找刀位时的正向转动，如图c所示。上刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘1通过圆柱销2带动

16、上刀体4开始反转，反靠销6马上就会落入反靠圆盘7的十字槽内，至此，完成粗定位，如图d所示。此时反靠销6从反靠圆盘7的十字槽内爬不上来，于是上刀体4停止转动，开始下降，而上盖圆盘1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销2的头部压入上刀体4的销孔内，之后，上盖圆盘1的下表面开始与圆柱销2的头部滑动。在些期间，上、下刀本的端面齿逐渐啮合，实现定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过和结束。由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可稳定的工作。a) b) c) d) 图2.2 刀架转位过程中销的位置1上盖圆盘 2圆柱销 3弹簧 4上刀体 5圆柱销 6反靠销 7反靠圆盘a)换刀开始时，圆柱销2与上盖圆

17、盘1可以相对滑动b)上刀体4完全抬起后，圆柱销2落入上盖圆盘1槽内，上盖圆盘1将带动圆柱销2及上刀体4一起转动c)上刀体4连续转动时，反靠销6可从反靠圆盘7的槽左侧斜坡滑出d)找到刀位后，刀架电动机反转，反靠销6反靠，上刀体停转，实现粗定位3 总体结构设计3.1 减速机构的设计电动机的选择电动机选择三步异相电动机，额定功率为90W，额定转速为1440r/min，而刀架转速设定30r/min，由于转速较高不能直接驱动刀架，因此必须经过适当的减速。采用蜗杆副减速，蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，以保证传动精度和平稳性并能自锁，可以减少整个装置的空间，比较精简。3.2 上刀体锁紧与精

18、定位机构的设计上刀架锁紧与精定位将直接影响工件的加工精度，因为刀具直接安装在上刀体上，所以刀体要承受全部的切削力，因此对它的选择很重要，在设计中选择端面将上刀体与下刀体的配合加工成梯形的端面齿。采用梯形的端面齿，刀架处于锁紧时，下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正转，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位工作。3.3 刀架抬起机构的设计在上述过程中欲使上下刀体的两个端面齿脱离。就必须设计分离机构，在此选择螺杆螺母副，并在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆蜗轮带动螺杆绕中心轴转动时，而将上刀体看做螺母，要么转动，要么上

19、下移动。两种情况，当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就和螺杆一同转动，在设计螺杆时要注意螺距的选择，而螺距的选择是否合理非常重要，选择适当以便当螺杆转动一定角度时，使上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。图3.1为自动回转刀架的传动机构示意图 图3.1 自动回转刀架的传动结构示意图1发信盘 2推力轴承 3螺杆螺母机构 4端面齿盘 5发靠圆盘 6三相异步电动机 7联轴器 8蜗杆副 9反靠销 10圆柱销 11上盖圆盘 12上刀体4 主要传动部件的设计计算4.1 蜗杆副的设计计算自动回转刀架

20、的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗杆与上刀体直联。已知电动机额定功率P1=90W，额定转速n1=1440r/min，上刀体设计转速n2=30r/min,则蜗杆副的传动比i=1440/30=48。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，起动时冲击较大，今要求蜗杆的使用寿命Lh=10000h，因此对蜗杆的型号材料的选择以及齿面接触疲劳强度计算相当重要。4.1.1 蜗杆的选型GB/T10065-1998推荐采用阿基米德（ZA蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用阿基米德型圆柱蜗杆（ZA型）。4.1.2 蜗杆的材料刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，

21、因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC，以提高表面耐磨性，选用锡磷青铜ZCuSn10P1，采用金属模铸造。4.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面脱离危险合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行校核。按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为： (4.1)式中 蜗杆副的传动中心距，单位为mm； K载荷系数； T2作用在蜗轮上的转矩T2，单位为Nmm； 弹性影响系数，单位为MP1/2； 接触系数； 许用接触应力，单位为MPa。从式（4.1）算出蜗杆副的中心距之后，根据已知的传动比i=48,从附录1中选择一个合

22、适的中心距值，以及相应的蜗杆、蜗轮参数。（1） 确定作用在蜗杆上的转矩T2设蜗杆头数Z1=1，蜗杆的传动效率取=0.8。由电动机的额定功率P1=90W，可以算得蜗轮传递的功率P2=P1，再由蜗轮的轮转速n2=30r/min求得作用在蜗轮上的转矩：T2=9.55P2/n2=9.55P1/n2=9.55800.8/30Nm20.373Nm=20373Nmm（2） 确定载荷系数K载荷系数K=KAKKv。其中KA为使用系数，由附录2查得，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取KA=1.15；K为齿向载荷分布系数，因工作载荷在起动和停止时有变化，故取K=1.15；Kv为动载系数，由于转速不高、冲击不

23、大，可取Kv=1.05。刚载荷系数：K=KAKKv=1.151.151.051.39（3） 确定弹性影响系数ZE铸锡磷青铜蜗轮与蜗杆相配时,从有关手册查得弹性影响系数ZE=160MPa1/2。（4） 确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距的比值d1/=0.35，从附录3中可查得接触系数=2.9。（5） 确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1、金属模铸造蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，可从附录4中查得蜗轮的基本许用应力=268MPa。已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数J=1；蜗轮转速n2=30r/min;蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。则应力循环次

24、数N=60Jn2Lh=6013010000=1.8107寿命系数：KHN=0.929许用应力：=KHN=0.929268MPa=249MPa（6） 计算中心距将以上各参数代入式（4.1），求得中心距：mm=46.2mm查附录1，取中心距=50mm，已知蜗杆头数Z1=1，设模数m=1.6mm，得蜗杆分度圆直径d1=20mm。为时d1/=0.4，由附录3得接触系数Z=2.74。因为ZZ，所以上述计算结果可用。4.1.4 蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸由蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参数，算得蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸后，即可绘制蜗杆副的工作图。（1） 蜗杆参数与尺寸头数Z1=1，模数m=1.6mm，轴向

25、齿距Pa=m=5.027mm，轴向齿厚Sa=0.5m=2.514mm，分度圆直径d1=20mm，直径系数q=d1/m=12.5，分度圆导程角=arctan(z1/q)=43426。取齿顶高系数 ha*=1，径向间隙系数c*=0.2，则齿顶圆直径da1=d1+2ha*m=20mm+211.6mm=23.2mm齿根圆直径df1=d1-2m(ha*+c*)=20-21.6(1+0.2)mm=16.16mm。（2） 蜗轮参数与尺寸齿数Z2=46，模数m=1.6mm，分度圆直径d2=mZ2=1.648mm=76.8mm，变位系数x2=-(d1+d2)/2/m=50-(20+76.8)/2/1.6=1蜗轮

26、喉圆直径da2=d2+2m(ha*+x2)=76.8+21.6(1+1)mm=83.2mm蜗轮齿根圆直径df2=d2-2m(ha*-x2+ c*)=76.8-21.6(1-1+0.2)mm=76.16mm蜗轮咽喉母圆半径rg2=-da2/2=(50-83.2/2)mm=8.4mm（3） 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度即检验下式是否成立： =（1.53KT2/d1d2m）YFa2Y (4.2)式中 蜗轮齿根弯曲应力，单位为MPa；YFa2蜗轮齿形系数；Y螺旋角影响系数；蜗轮的许用弯曲应力，单位为MPa。由蜗杆头数Z1=1，传动比i=48，可以算出蜗轮齿数Z2=iZ1=48。则蜗轮的当量齿数Zv2=Z2

27、/cos3=48.46根据蜗轮变位系数x2=1和当量齿数ZV2=48.46，查附录6，得齿形系数：YFa2=1.95螺旋角影响系数：Y=1-/140=0.967根据蜗轮的材料和制造方法，查附录5，可得蜗轮基本许用弯曲应力：=56MPa蜗轮的寿命系数：KFN=0.725蜗轮的许用弯曲应力：=KFN=560.725MPa=40.6MPa将以上参数代入（4.2），得蜗轮齿根弯曲应力：=1.950.967MPa33.2MPa可见,蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。4.2 蜗杆轴的设计4.2.1 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力考虑轴主要传递蜗轮的转矩，为普通用途中小功率减速传动装置。选用45号钢，正火处理，

28、。4.2.2 按扭转强度初步估算轴的最小直径 （4.3）扭转切应力为脉动循环变应力，取抗弯截面系数取4.2.3 确定各轴段的直径和长度根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状，直径和长度。同一轴上的轴承选用同一型号，以便于轴承座孔镗制和减少轴承类型。图4.1 轴的形状，直径和长度轴上有一个键槽，故槽径增大5%。,圆整。所选轴承类型为深沟球轴承，型号为6203， ，。起固定作用，定位载荷高度可在（0.070.1）范围内。，故取20mm。为蜗杆与蜗轮啮合部分，故。，便于加工和安装。为与轴承配合的轴段，查轴承宽度为12mm，端盖宽度为10mm，则L1=22mm。尺寸长度与刀架体的设计有关，蜗杆

29、端面到刀架端面距离为65mm，故L2=43mm。为蜗杆部分长度，圆整取30mm。取55mm，在刀架体部分长度为（12+8）mm，伸出刀架部分通过联轴器与电动机相连长度为50mm，故。两轴承的中心跨度为128mm，轴的总长为220mm。4.2.4 蜗杆轴的校核作用在蜗杆轴上的圆周力 （4.4）其中，则 径向力 切向力 图4.2 轴向受力分析 求水平方向上的支承反力 图4.3 水平方向支承力 求水平弯矩,并绘制弯矩图图4.4 水平弯矩图求垂直方向的支承反力 （4.5） 查表得，其中， 图4.5 垂直方向支承反力 求垂直方向弯矩，绘制弯矩图图4.6 垂直弯矩图求合成弯矩图，按最不利的情况考虑图4.7

30、 合成弯矩图计算危险轴的直径 (4.6)查教材机械设计表16.3得，材料为调质的许用弯曲应力，则所以该轴符合要求。4.2.5 键的选取与校核考虑到，实际直径为17mm，所以强度足够，由GB1095-79查得，尺寸，的A型普通平键。按公式 （4.7）进行校核，。查表得，取则 该键符合要求。由普通平键标准查得轴槽深，毂槽深t。4.3 蜗轮轴的设计4.3.1 蜗轮轴材料的选择，确定需用应力考虑到轴主要传递蜗轮转矩，为普通中小功率减速传动装置，选用45号钢，正火处理，查教材机械设计表16.3得弯曲许用应力和对称循环应力状态下的许用应力分别为，。 4.3.2 按扭转强度，初步估计轴的最小直径 （4.8）

31、查教材机械设计表16.3得，取45号调质钢的许用弯曲应力，则由于轴的平均直径为34mm，因此该轴安全。4.3.3 确定各轴段的直径和长度根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度，即蜗轮轮芯为68mm。为蜗轮轴轴径最小部分取34mm。轴段与上刀架体有螺纹联接，牙形选梯形螺纹，根据表，取公称直径为，螺距，。查表得，外螺纹小径为31mm，内、外螺纹中径为38mm，内螺纹大径为45mm，内螺纹小径为32mm，旋合长度取55mm。尺寸长度为34mm，蜗轮齿宽 当时，取。4.4 中心轴的设计4.4.1 中心轴的材料选择,确定许用应力考虑到轴主要起定位作用，只承受部分弯矩，为空心轴，因此只

32、需校核轴的刚度即可。选用45号钢，正火处理，查教材机械设计表16.3得弯曲许用应力和对称循环应力状态下的许用应力分别为，。4.4.2 确定各轴段的直径和长度根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度，。与轴承配合，轴承类型为推力球轴承，型号为51203，所以。与轴承配合，轴承类型为推力球轴承，型号51204， ，。图4.8 中心轴受力图分配各轴段的长度，。4.4.3 轴的校核轴横截面的惯性矩车床切削力F=2KN，E=210GPa因此yy中心轴满足刚度条件。4.5 齿盘的设计4.5.1 齿盘的材料选择和精度等级上下齿盘均选用45号钢，淬火，180HBS，初选7级精度等级。4.5.

33、2 确定齿盘参数考虑齿盘主要用于精确定位和夹紧，齿形选用三角齿形，上下齿盘由于需相互啮合，参数可相同，当蜗轮轴旋转150时，上刀架上升5，齿盘的齿高取4，由 （4.9） 得算式 4=（21+0.25）。标准值，。求出,取标准值。故齿盘齿全高。取齿盘内圆直径为120。外圆直径为。齿顶高。齿根高。 齿数齿宽齿厚齿盘高为54.5.3 按接触疲劳强度进行计算（1）确定有关计算参数和许用应力（2）取载荷系数（3）由教材机械设计表12.13得齿宽系数（4）由教材机械设计表12.12得材料的弹性影响系数，取，故。（5）由教材机械设计图12.17（c）得，（6） =60241(830015)，=5.18107

34、（7）由教材机械设计第三章中的数据得接触疲劳寿命系数 ，（8）计算接触疲劳许用应力， 取安全系数，由教材机械设计式（12.11）得 按齿根抗弯强度设计由教材机械设计式（12.17）得抗弯强度的设计公式为 (4.10)确定公式内的各参数数值（1）由教材机械设计图12.23（c）得抗弯疲劳强度极限（2）由教材机械设计中图12.24得抗弯疲劳寿命系数,（3）由教材机械设计中图12.21和图12.22得（4）计算抗弯疲劳许用应力，取抗弯疲劳安全系数SF=1.4由教材机械设计中式（12.19）得（5）由教材机械设计中式（12.16）得弯曲疲劳强度验算 故满足弯曲疲劳强度要求4.6 轴承的选用滚动轴承是现

35、代机器中广泛应用的部件之一。它是依靠主要元件的滚动接触来支撑转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，因此使用滚动轴承时，只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸。验算轴承的承载能力。以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。4.6.1 轴承的类型考虑到轴各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差，因此选用调心性能比较好的深沟球轴承。此类轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，安装时可调整轴承的游隙。然后根据安装尺寸和使用寿命选出轴承的型号为：62034.6.2 轴承的游隙及轴上零件的调配轴承的游隙

36、和欲紧时靠端盖下的垫片来调整的，这样比较方便。4.6.3 滚动轴承的配合滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔于轴的配合采用基孔制，即以轴承内孔的尺寸为基准；轴承外径与外壳的配合采用基轴制，即以轴承的外径尺寸为基准。4.6.4 滚动轴承的润滑考虑到电动刀架工作时转速很高，并且是不间断工作，温度也很高。故采用油润滑，转速越高，应采用粘度越低的润滑油；载荷越大，应选用粘度越高的。4.6.5 滚动轴承的密封装置轴承的密封装置是为了阻止灰尘，水，酸气和其他杂物进入轴承，并阻止润滑剂流失而设置的。密封装置可分为接触式及非接触式两大类。唇形密封圈靠弯折了的橡胶的弹性力和附加的环行螺旋弹簧的

37、紧扣作用而套紧在轴上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要紧密封的部位。即如果是为了油封，密封唇应朝内；如果主要是为了防止外物浸入，密封唇应朝外。5 电气控制部分设计5.1 硬件电路设计自动回转刀架的电气控制部分主要包括收信电路和发信电路两大块，如图5.1所示。a)b)c)d)图5.1 自动回转刀架电气控制原理图a)发信盘上的霍尔元件 b)刀位信号的处理 c)刀架电动机正反转控制 d)刀架电动机正反转的实现5.1.1 收信电路图a中发信盘上的4只霍尔开关（型号为UGN3120U），都有3个引脚，第1脚接+12V电源，第2脚接+12V地线，第3脚为输出。转位时刀台带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个

38、霍尔开关时，其输出端第3脚输出低电平；当磁铁离开时，第3脚输出高电平。4只霍尔开关输出的4个刀位信号T1T4分别送到图b的4只光耦合器进行处理，经过光电隔离的信号再送给I/O接口芯片8255的PC4PC7。5.1.2 发信号电路图c刀架电动机正反转控制电路，I/O接口芯片8255的PA6与PA7分别控制刀架电动机的功率只有90W，所以图d中刀架电动机与380V交流电源的接通可以选用大功率直流继电器，而不必采用继电器-接触器控制电路，以节省成本，降低故障率。图c中，正转继电器的线圈KA1与反转继电器的一组常闭触点串联，而反转继电器的线圈KA2又与正转继电器的一组常闭触点串联，这样就构成了正转与反

39、转的互锁电路，以防控制系统失控时导致短路现象。当KA1或KA2的触点接通380V电压时，会产生较强的火花，并通过电网影响控制系统的正常工作，为此，在图d中布置了3对R-C阻容用来灭弧，以抑制火花的产生。5.2控制软件的设计在清楚了自动回转刀架的机械结构和电气控制电路后，就可以着手编制刀架自动回转转位的控制软件了。对于四工位自动回转刀架来说，它最多装4把刀具，设计控制软件的任务，就是选中任意一把刀具，让其转到工作位置。图5.2表示让1#刀转到工作位置的程序流程，2#4#刀的转位流程与1#刀相似。设控制系统的CPU为AT89C51单片机，扩展8255芯片作为自动回转刀架的收信与发信控制，已知825

40、5芯片的控制口地址为2FFH，则基于图5.1和图5.2的汇编程序清单如下：图5.2 换1#刀的程序流程TO1: MOV DPRT，#2FFFH ；指向8255的PC口MOVX A，DOTR ；读取PC内容JNB ACC.4，TEND ；测试PC4=0？若是，则说明1#已在工作位置，程序转到TENDMOV DPTR，#2FFCH ；指向8255的PA口地址MOVX A，DPTR ；读取PA口锁存器内容CLR ACC.6 ；令PA6=0，刀架电动机正转有效SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架电动机反转无效MOVX DPTR，A ；刀架电动机开始正转CALL DE20MS ；延时20msYT0

41、1：MOV DPTR，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，DPTR ；读取PC口内容 JB ACC.4，YT01 ；PC4=0吗？即1#刀转到工作位置了吗？ CALL DE20MS ；延时20msYT11：MOV DPTR，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，DPTR ；第二次读取PC口内容 JB ACC.4，YT11 ；PC4=0？ CALL DE20MS ；延时20msYT21：MOV DPTR，#2FFEH ；指向8255的PC口 MOVX A，DPTR ；第三次读取PC口内容 JB ACC.4，YT21 ；PC4=0？ MOV DPTR，#2FFCH ；

42、指向PA口 MOVX A，DPTR ；读取PA口锁存器内容 SETB ACC.6 ；令PA6=1，刀架电动机反转无效 SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架电动机反转无效 MOVX DPTR，A ；刀架电动机停转 CALL DE150MS ；延时150ms CLR ACC.7 ；令PA7=0,刀架电动机反转有效 SETB ACC.6 ；令PA6=1,刀架电动机正转无效 MOV DPTR，A ；刀架电动机开始反转 CALL DELAY ；延时设定的反转锁紧时间 SETB ACC.6 ；令PA6=1,刀架电动机反转无效 SETB ACC.7 ；令PA7=1，刀架电动机反转无效 MOVX DPT

43、R，A ；刀架电动机停转TEND: REL ；换1#刀结束结论为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。通过对四工位刀架的设计，分别对其组成部分即机械总体结构、工作原理、主传动部件以及电气控制部分进行研究、改善。文中减速机构选用三相异步电机和蜗杆副，能获的大的传动比，保证传动精度平稳，能实现整个装置的小型化；考虑所受载荷和加工精度选取端面齿盘，在刀架抬起机构中釆用丝杆螺母机构。主传动部件设计中蜗杆采用阿基米德型圆柱蜗杆，材料采用45钢，涡轮用耐磨性大的铸锡磷青铜ZCuSn10P1，

44、并通过假定参数对其疲劳强度进行设计，并依次算出蜗杆蜗轮的主要参数和尺寸，再通过查表计算确定了中心轴、齿盘、轴承等其他部件的型号、选材及其主要参数和尺寸。电气部分分别对硬件和软件进行设计。硬件电路设计中发信采用芯片8255的PA6、PA7控制正反转，接收端采用霍尔元件控制其转位，软件设计CPU中釆用AT89C51单片机，扩展8255芯片控制刀架的收信与发信，并编辑汇编程序控制刀架转位。设计从经济适用出发在材料选择和参数选择都做到优化选择。克服老车床辅助加工时间长的缺点，提髙了工作效率，最后对自动回转刀架出现的一些常规问題总结分析排除方法。致谢本论文的完成，首先要感谢我的母校徐州工程学院的辛勤培育

45、之思。其次要感谢我的指导老师给我的指导和帮助，几个月来在指导老师的悉心指导与帮助下，才使我的论文得以顺利完成。指导老师为论文课题的研究提出了许多指导性的意见，为论文的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。指导老师对事业的执著追求和不懈努力的精神，值得我永远学习，他严谨治学、不断探索的作风，给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅，是我今后人生路上的最好榜样，指导老师给我提供了良好的实验设计环境和很好的意见。再次感谢在毕业设计中互相讨论的同学，他们也给了很好的建议。由于作者水平有限，错误之处在所难免，恳请各位老师、同学给与批评和建议。最后，感谢所有曾经传授给我知识、给予我帮助的老师、同学、朋友们，感谢

46、他们的指导和关心谢谢大家！参考文献1尹志强机电一体化系统设计课程设计指导书M 北京：机械工业出版社，2007：54-992王润孝机床数控原理与系统M 甘肃：西北工业大学出版社，2004：64-753冯辛安机械制造装备M 北京：机械工业出版社，2005：23-564刘红文材料力学M 北京：高等教育出版社，1998：61-1115余仲裕数控机床维修M 北京：机械工业出版社，2002：52-816郑文伟机械原理M 北京：高等教育出版社，1997：45-687张至丰金属工艺学M 北京：机械工业出版社，2004：52-698张发玉PLC可编程序控制器M 陕西：西安电子科技大学出版社，2006：58-78

47、9于骏一机械制造技术基础M 北京：机械工业出版社，2004：58-6910成大先机械设计手册单行本机械传动M 北京：化学工业出版社，2004：76-9811殷际英光机电一体化应用技术M 北京：机械工业出版社，2003：46-7312张洪润传感器原理及应用M 北京：清华大学出版社，2008：45-6313王玉琳步进电机的速度调节方法J 电机与控制应用，2006，(1) ：24-26.14王玉琳步进电动机J 制造技术与机床，2006，(7) ：34-3615Outrata,J,andJowe,J CNC machine toolsJ. ModernManufacturing Engineering

48、,USA,2005, (4):17-20附录附录1普通圆柱蜗杆基本尺寸和参数及其与涡轮参数的匹配中心距a/mm模数m/mm分度圆直径d1/mmm2d1/mm3蜗杆头数Z1直径系数q分度圆导程角蜗轮齿数Z2变位系数x2405011818118.0031047628200401.252031.25116.003343549-0.500506322.43517.92311386282+0.040+0.440501.62051.2112.504342651-0.500290525417444163802871.68117.50316146182+0.125+0.25040(50)(63)222.489

49、.6111.205060829(39)(51)-0.100(-0.100)(+0.400)2100729419391462810438010035.5142117.75313286282+0.12550(63)(80)2.52875111.205060829(39)(53)-0.100(+0.100)(-0.100)21007294193914628104310045281.25118.003104362063(80)(100)3.1535.5352.25111.275041529(39)(53)-0.1349(+0.2619)(-0.3889)210034841932296280150125

50、56555.66117.7783131060-0.206380(100)(125)440640110.005423831(41)(51)-0.500(-0.500)(+0.750)211183642148056305750160711136117.753132862+0.125注：1.本附录中导程角小于330的圆柱蜗杆均为自锁蜗杆。2.括号中的参数不适用于蜗杆头数Z1=6。3.本附录摘自GB/T 100851988。附录2使用系数KA工作类型载荷性质均匀、无冲击不均匀、小冲击不均匀、大冲击每小时启动次数25255050启动载荷小较大大KA11.151.2附录3圆柱蜗杆传动的接触系数Z附录4铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力蜗轮材料铸造方法蜗杆螺旋面的硬度45HRC45HRC铸锡磷青铜ZCuSn10P1砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡锌铅青铜ZCu5Pb5Zn5砂模铸造113135金属模铸造128140附录5蜗轮的基本许用弯曲应力（单位：MPa）蜗轮材料铸造方法单侧工作双侧工作铸锡磷青铜ZCuSn10P1砂模铸造4029金属模铸造5640铸锡锌铅青铜ZCu5Pb5Zn5砂模铸造2622金属模铸造3226铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3砂模铸造8057金属模铸造9064灰铸铁HT150砂模铸造4028HT200砂模铸造4834附录6蜗轮的齿形系数YFa232